DE19601857A1

DE19601857A1 - Vorrichtung zur Positionserfassung

Info

Publication number: DE19601857A1
Application number: DE19601857A
Authority: DE
Inventors: Rainer Dipl Phys Kuth
Original assignee: Siemens AG
Current assignee: Siemens AG
Priority date: 1995-02-10
Filing date: 1996-01-19
Publication date: 1996-08-14

Description

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur Positionserfas sung mit beweglich miteinander verbundenen Gliedern und mit Meßgebern, die relative Bewegungen der Glieder gegeneinander erfassen.

Eine Vorrichtung der eingangs genannten Art, für die auch die Bezeichnung "passiver Roboter" gebräuchlich ist, ist unter der Bezeichnung "The Viewing Wand" von der Firma ISG Techno logies, Inc. ansässig in Toronto, Canada, auf dem Markt er hältlich. Diese Vorrichtung kann bei chirurgischen Eingriffen aller Art, besonders bei minimal-invasiven Operationen, bei denen der Körper eines Patienten nur über eine kleine Fläche geöffnet wird, eingesetzt werden. Dabei wird eine dreidimen sionale Ortsmeßeinrichtung benutzt, die kontinuierlich den Ort der Spitze eines Operations-Instruments ermittelt und einem Computer mitteilt. Der Computer wählt dann aus einem vorher z. B. mit Hilfe der Magnetresonanztechnik oder der Computertomographie ermittelten 3D-Datensatz vom Körper des Patienten einen Bereich aus, worin sich die Spitze augen blicklich befindet, und stellt ihn auf einem Bildschirm ein schließlich einer virtuellen Spitze dar. Die Vorrichtung zur Positionserfassung selbst besteht zum größten Teil aus Edel stahl, was einem Einsatz dieser Vorrichtung zur Postitionser fassung in unmittelbarer Nähe eines Magnetresonanzgeräts oder einer Biomagnetismus-Anlage entgegen steht.

Rein optische Vorrichtungen zur Positionserfassung, wie z. B. Fernsehkameras, sind grundsätzlich geeignet, in unmittelbarer Nähe von Magnetresonanzgeräten oder Biomagnetismus-Anlagen eingesetzt zu werden. Sie erfordern jedoch eine freie Sicht der Kameras zu einem entsprechend markierten Operations-In strument. Wegen der relativ beengten Verhältnisse in einem Magnetresonanzgerät scheidet eine rein optisch arbeitende Vorrichtung für die meisten Anwendungen aus.

Der Erfindung liegt nun die Aufgabe zugrunde eine Vorrichtung zur Positionserfassung anzugeben, die in unmittelbarer Nähe eines Magnetresonanzgeräts oder einer Biomagnetismus-Anlage betrieben werden kann.

Die Aufgabe wird dadurch gelöst, daß die Glieder aus einem unmagnetischen und elektrisch nicht-leitendem Material beste hen und daß die Meßgeber als faser-optische Meßgeber ausge bildet sind. Damit sind störende Wechselwirkungen der Vor richtung zur Positionserfassung mit Magnetresonanzgeräten oder Biomagnetismus-Anlagen ausgeschlossen. So können das Magnetresonanzgerät oder die Biomagnetismus-Anlage und die unmittelbar daneben angeordnete Vorrichtung zur Positionser fassung sogar ohne gegenseitige Störungen gleichzeitig be trieben werden. Damit ist z. B. dem Chirurgen die Möglichkeit gegeben, aktuelle Datensätze, worin die während einer Opera tion durchgeführten Eingriffe erfaßt sind, zu benutzen und auszuwerten.

Eine besonders vorteilhafte Ausgestaltung ist dadurch gekenn zeichnet, daß die Meßgeber über Lichtwellenleiter mit einer räumlich getrennt von den Gliedern und Meßgebern angeordneten Lichtquelle optisch optisch verbunden sind. Damit läßt sich die Lichtquelle außerhalb des Streufeldes und der Hochfre quenzabschirmung des Magnetresonanzgeräts oder außerhalb der magnetischen Abschirmung der Biomagnetismus-Anlage anordnen.

Eine gut handhabbare Vorrichtung zur Positionserfassung er gibt sich dadurch, daß die Glieder über Drehgelenke miteinan der verbunden sind. Damit können die Meßgeber als Winkel-In kremental-Meßgeber aufgebaut werden, die nur einen geringen Einbauraum benötigen.

Eine weitere vorteilhafte Ausgestaltung zeichnet sich dadurch aus, daß eine Befestigungseinrichtung für Instrumente, insbe sondere Operations-Instrumente, mit einem Endglied verbunden ist. Der Chirurg kann damit auch die genaue Position von be nutzten Operations-Instrumenten in einer bildlichen Darstel lung der Anatomie erfassen.

Eine weitere vorteilhafte Ausgestaltung zeichnet sich dadurch aus, daß jeder faseroptische Meßgeber eine drehbar gelagerte Codierscheibe mit auf einem Kreisbogen äquidistant angeordne ten Durchgangsöffnungen umfaßt, daß auf einer Seite der Co dierscheibe eine Lichtaustrittsöffnung eines Sende-Lichtwel lenleiters und daß gegenüberliegend zur Lichtaustrittsöffnung auf der zweiten Seite eine Lichteintrittsöffnung eines ersten Empfangs-Lichtwellenleiters angeordnet ist. Durch die Verwen dung der Lichtwellenleiter können sowohl die Lichtquellen wie auch die opto-elektrischen Wandler für die von der Codier scheibe modulierten Lichtsignale an beliebigen Stellen ent fernt vom Meßgeber eingebaut werden.

Eine einfache Drehrichtungserkennung ermöglicht eine weitere vorteilhafte Ausgestaltung, bei der neben der Lichteintritts öffnung des ersten Empfangs-Lichtwellenleiters eine Lichtein trittsöffnung eines zweiten Empfangs-Lichtwellenleiter ange ordnet ist. Aus der Phasenverschiebung der beiden modulierten Lichtsignale läßt sich die Drehrichtung mit einfachen Mitteln erkennen.

Die Erfindung wird im folgenden anhand von fünf Figuren er läutert. Es zeigen:

Fig. 1 eine Vorrichtung zur Positionserfassung mit beweglich miteinander verbundenen Gliedern,

Fig. 2 schematisch ein diagnostisches Magnetresonanzgerät mit einer Vorrichtung zur Positionserfassung, wie sie für interventionelle Magnetresonanz -Untersuchungen einge setzt werden kann,

Fig. 3 eine Draufsicht auf einen faser-optischen Inkremental geber,

Fig. 4 im Schnitt eine Seitenansicht des faser-optischen In krementalgebers nach Fig. 3 und

Fig. 5 vom faser-optischen Inkrementalgeber abgegebene modu lierte Lichtsignale.

Die in einer Seitenansicht dargestellte Vorrichtung 1 zur Po sitionserfassung umfaßt insgesamt fünf Glieder 2, 4, 6, 8, 10, die über Drehgelenke, veranschaulicht durch gebogene Doppel pfeile 12, 14, 16, 18, drehbeweglich miteinander verbunden sind. Benachbarte Glieder 2 und 4, 4 und 6, 6 und 8, 8 und 10 sind senkrecht zueinander ausgerichtet. Die Drehachsen 20, 22, 24, 26, sind deckungsgleich zu den Längsachsen der Glie der 2 bzw. 4 bzw. 6 bzw. 8 angeordnet. Den Drehachsen 20, 22, 24, 26 sind inkrementale Winkelmeßgeber 28 bzw. 30 bzw. 32 bzw. 34 zugeordnet, wodurch die relative Drehbewegung der Glieder 2, 4, 6, 8, 10 gegeneinander erfaßt wird. So erfaßt der inkrementale Winkelmeßgeber 28 die relative Drehbewegung der Glieder 2 und 4 um die Drehachse 20, der inkrementale Winkel meßgeber 30 erfaßt die relative Drehbewegung der Glieder 4 und 6 um die Drehachse 22, der inkrementale Winkelmeßgeber 32 erfaßt die relative Drehbewegung der Glieder 8 und 6 um die Drehachse 24 und der inkrementale Winkelmeßgeber 34 erfaßt die relative Drehbewegung der Glieder 8 und 10 um die Dreh achse 26.

Am Endglied 10 der Vorrichtung 1 ist eine Befestigungsein richtung 36 drehbeweglich montiert. Auch hier ist das dazu erforderliche Drehgelenk durch einen Doppelpfeil 38 symboli siert. Die Drehachse 40 der Befestigungseinrichtung 36 ist deckungsgleich mit der Längsachse 40 des Endglieds 10. Die Drehbewegung der Befestigungseinrichtung 36 wird erfaßt durch einen inkrementalen Winkelmeßgeber 42.

Eine Positionstastspitze 44 ist von der Befestigungseinrich tung 36 über z. B. eine Schraubverbindung oder einen Bajo nettverschluß gehalten. Anstelle der Positionstastspitze 44 eignet sich die Befestigungseinrichtung 36 auch zur Halterung von Operations-Instrumenten, wie Laserspitzen, Elektroden, Punktionsnadeln usw.

Die Glieder 2, 4, 6, 8, 10 sowie die Drehgelenke sind aus einem Keramikmaterial oder einem versteiften Kunststoff mit Zulas sung für medizinische Anwendungen ausgeführt. Die Lager der Drehgelenke bestehen ebenfalls aus einem geeigneten nichtme tallischen Werkstoff. Die inkrementalen Winkelmeßgeber 28, 30, 32, 34, 42 sind aus Kunststoff hergestellt.

In Fig. 2 ist die Vorrichtung zur Positionserfassung 1 in un mittelbarer Nähe eines Magnetresonanzgeräts 46 innerhalb ei ner Hochfrequenz-Abschirmung 48 angeordnet. Die inkrementalen Winkelmeßgeber 28, 30, 32, 34, 42 sind über einen Sende-Lichtwel lenleiter 50 mit einer außerhalb der Hochfrequenz-Abschirm kabine 48 angeordneten Lichtquelle 52 verbunden. Vorzugsweise ist eine einzige Lichtquelle 52 für alle inkrementalen Win kelmeßgeber 28, 30, 32, 34, 42, vorgesehen. Wie anhand von den Fig. 3, 4 und 5 noch erläutert, wird das von der Lichtquelle 52 ausgesendete Licht durch die Winkelmeßgeber 28, 30, 32, 34, 42 moduliert und über zwei Empfangs-Lichtwellenleiter 54 und 56 einer Auswerte-Elektronik 58 zugeführt. Die Auswerte-Elektro nik 58 umfaßt opto-elektrische Wandler, die die modulierten Lichtsignale in elektrische Signale umwandeln und aus der Stellung aller Winkelmeßgeber 28, 30, 32, 34, 42 den genauen Ort der Positionstastspitze 44 oder der Spitzen der Operations- Instrumente ermittelt.

Fig. 3 zeigt in einer Draufsicht einen Ausschnitt eines faser optischen inkrementalen Winkelmeßgebers. Der Winkelmeßgeber umfaßt eine drehbar gelagerte Codierscheibe 60 aus Kunststoff mit auf einem Kreisbogen äquidistant angeordneten Durchgangs öffnungen 62. Auf einer Seite der Codierscheibe 60 ist eine Lichtaustrittsöffnung 64 des Sende-Lichtwellenleiters 50 an geordnet, die eine Durchgangsöffnung 62 beleuchtet. Gegen überliegend der Lichtaustrittsöffnung 64 sind versetzt zuein ander jeweils die Lichteintrittsöffnungen 66, 68 der beiden Empfang-Lichtwellenleiter 54 bzw. 56 angeordnet. Durch die versetzte Anordnung der Lichteintrittsöffnungen 66 und 68 er gibt sich bei Drehung der Codierscheibe 60 eine Phasenver schiebung der durch die Durchgangsöffnungen 62 modulierten Lichtsignale.

Fig. 5 zeigt bei Drehrichtung der Codierscheibe 60 in Pfeil richtung 70 das von der Lichteintrittsöffnung 66 des ersten Empfangs-Lichtwellenleiters 54 aufgenommene Lichtsignal 72 und das von der Lichteintrittsöffnung 68 des zweiten Emp fangs-Lichtwellenleiters 56 aufgenommene modulierte Lichtsi gnal 74. Dabei ist das Signal 72 gegenüber dem Signal 74 voreilend. Bei umgekehrter Drehrichtung würde im Gegensatz zur Darstellung in Fig. 5 der zweite Empfangs-Lichtwellenlei ter 56 ein voreilendes Signal liefern, d. h. das Signal 74 käme dann zeitlich vor dem Signal 72. Aus dem zeitlichen Ver satz der beiden Signale 72, 74 zueinander ermittelt die Aus werteelektronik 58 die Drehrichtung.

Claims

1. Vorrichtung zur Positionserfassung (1) mit beweglich mit einander verbundenen Gliedern (2, 4, 6, 8, 10) und mit Meßgebern (28, 30, 32, 34), die relative Bewegungen der Glieder (2, 4, 6, 8, 10) gegeneinander erfassen, dadurch gekennzeichnet, daß die Glieder (2, 4, 6, 8, 10) aus einem unmagnetischen und elektrisch nicht-leitenden Ma terial bestehen und daß die Meßgeber (28, 30, 32, 34) als faser optische Meßgeber ausgebildet sind.

2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Meßgeber (28, 30, 32, 34) über Lichtwellenleiter (50) mit einer räumlich getrennt von den Gliedern (2, 4, 6, 8, 10) und Meßgebern (28, 30, 32, 34, 42) angeordneten Lichtquelle (52) optisch verbunden sind.

3. Vorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Glieder (2, 4, 6, 8, 10) über Drehgelenke miteinander verbunden sind.

4. Vorrichtung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß die benachbarten Glieder (2, 4; 4, 6; 6, 8; 8, 10) senkrecht zueinander ausgerichtet und daß die Drehachsen (20, 22, 24, 26) der Drehgelenke und Längsachsen der Glieder (2, 4, 6, 8, 10) deckungsgleich angeordnet sind.

5. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß eine Be festigungseinrichtung (36) für Instrumente mit einem Endglied (10) verbunden ist.

6. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß jeder faseroptische Meßgeber (28, 30, 32, 34, 42) eine drehbar gelager te Codierscheibe (60) mit auf einem Kreisbogen äquidistant angeordneten Durchgangsöffnungen (62) umfaßt, daß auf einer Seite der Codierscheibe (60) eine Lichtaustrittsöffnung (64) eines Sende-Lichtwellenleiters (50) und daß gegenüberliegend zur Lichtaustrittsöffnung (64) auf der zweiten Seite der Co dierscheibe (60) eine Lichteintrittsöffnung (66) eines ersten Empfangs-Lichtwellenleiters (54) angeordnet ist.

7. Vorrichtung nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß neben der Lichteintritts öffnung (66) des ersten Empfangs-Lichtwellenleiters (54) eine Lichteintrittsöffnung (68) eines zweiten Empfangs-Lichtwel lenleiters (56) angeordnet ist.